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来源：sjjs001 汽车半导体情报局 在技术会议上，Lidow 讨论了 GaN 功率器件相对于硅 (Si) 等效器件的一些基本热和电气优势，以及 GaN 功率器件的四大应用——激光雷达、DC/DC 转换器、电机驱动器和卫星电子设备. 他还谈到了 EPC 的产品战略，其中包括提高性能和集成度的计划。 关于SiC基本原理的辩论由北卡罗来纳州立大学电气和计算机工程教授、PowerAmerica 执行董事兼首席技术官 Victor Veliadis 博士进行。他说，Si 功率器件正在达到其实际限制，因为它们的带隙和临界电场相对较低，导致大量的传导和开关损耗以及较差的高温性能。
Veliadis 在他的技术演讲中讨论了 SiC 的材料特性以及 SiC 器件取代其现有 Si 器件的应用潜力。他还讨论了材料和器件生产的问题，以及 MOSFET 的设计，现在绝大多数基于 SiC 的电力电子系统都采用了这些问题。
氮化镓的基本原理
以下是 Lidow 演讲的重点，首先讨论 GaN 的优势。
Lidow 说，设计人员首先提出的一些问题是“什么时候适合使用 GaN 以及有哪些优势”。虽然这些问题是恰当的，但他说最大的问题实际上是“为什么要继续使用硅”。
Lidow 说，GaN 有很多优点。“它更小、更快、更高效、成本更低，这在过去几年的市场定价中得到了体现。”
然而，GaN 技术的两个显着优势是其抗辐射性和集成度，Lidow 说。“与 GaN 相比，定义功率转换未来的最大优势是更容易集成多个功率器件。”在基本半导体特性（带隙、临界电场和电子迁移率）的材料比较中，GaN 被证明是一种优异的材料。“Si 的带隙略高于一个电子伏特，临界电子场为 0.23 MV/cm，而 GaN 的电子迁移率和带隙更宽，这意味着镓和晶格中的氮原子比硅之间的多，”Lidow 说。“它与 SiC 非常相似，两者的带隙都约为 3.26，”Lidow 说。
他指出，这反映在临界电场中，GaN 的临界电场要大一个数量级以上。这意味着未来的电源设备可以做得更小。
（来源：EPC）
他补充说，GaN 的另一个优点是它比 Si 或 SiC 具有更好的电子迁移率，因此由于所有这些原因，它是一种从根本上优越的半导体。
Lidow 表示，由于临界电场优势，SiC 和 GaN 都明显优于 Si 的理论局限性，而 GaN 具有优于所有这些的基本优势，这源于两个因素：更高的临界电场和更好的迁移率。
Lidow 进一步深入探讨了 GaN 如何使用这些特征来创建二维电子气以及为什么这具有优势。此外，他还提到了增强型器件，例如可以通过开发掺杂镁的 GaN 晶体，然后在顶部生长富含受体的晶体来制造。
（来源：EPC）
热管理是 GaN 的另一个优势。Lidow 一直被问及如何从这些微小的 GaN 器件中散热。“它们很小，但它们的导通电阻和开关损耗要低得多，所以它不会产生那么多的热量，但有一个基本的优势。”
GaN 和 Si 基本上受到撞击 PC 板的焊点数量的限制，并且受到 PC 板将热量带走的能力的限制，但要考虑结到外壳的热阻，这会在其他各个方向散发热量，GaN 器件比硅具有 6 倍的优势，他补充道。
（来源：EPC）
“这意味着如果你有任何类型的顶部冷却，无论是在设备上吹气还是在顶部进行更复杂的热管理，你都可以获得更高的功率密度。事实上，对于相同芯片尺寸的 GaN 器件（EPC 芯片级器件），您可以获得大约低 10 倍的热阻，然后您就可以获得硅器件。”
他说，如果管理得当，这会转化为一个数量级的 GaN 器件更好的散热机会。
另一个重大机遇是整合。
“GaN 本身是半绝缘的，因此在表面上制造的设备不会相互通信，除非您将它们进行电气连接，因此您可以在同一芯片上制造低功率设备和低电压设备作为高功率、高-电压装置，”利多说。“你所要做的就是缩小尺寸。缩小源极到栅极的尺寸，你会得到一个电压更低的器件；缩小所有尺寸，你会得到一个更低功率的设备。”
根据 Lidow 的说法，可以添加额外的功率器件来创建单片半桥，这在 15-20 伏以上的硅中是极其困难的。由于 GaN 对电压不敏感，因此您可以拥有一个带有高边和低边器件的完全单片功率级，以及一个位于高边的信号电平器件和一个电平转换器件，用于在顶部和底部之间进行通信。他说，底层。
“您可以从这里开始添加传感器和控制并制作完整的片上系统，EPC 多年来一直在这样做，”Lidow 说。“我们在七年前推出了我们的第一个单片半桥，我们的设备在与 FET 相同的芯片上有驱动器和一个全单片功率级，它具有各种传感器、驱动器、电平转换器和逻辑，现在非常流行在 DC/DC 转换器、机器人和电动汽车应用中。”
（来源：EPC）
他还介绍了自 2011 年至 2021 年 GaN 技术取得的进展（见下图）。
Lidow 说，GaN 正在取代硅，而且由于 EMI、效率、成本、尺寸和集成度的改进，它不会放慢速度。
EPC 的下一步将是新的电源芯片组，它将在大约两周内推出。第一批设备将是一个 65 安培的功率级芯片组，包括交叉保护、传感和逻辑。“这些将是我们第一批采用封装形式的设备，”他说。
EPC 路线图中的主要亮点是 Gen 6 器件，预计将于 2022 年第四季度发布，多通道高端器件（全片上系统器件）将于 2024 年发布。
碳化硅的基本原理
以下是 Veliadis 演讲的亮点。他介绍了 WBG 器件的优势以及 SiC 的挑战和机遇。
Veliadis 指出，由于 SiC 和 GaN 器件具有更高的热导率、能隙 (eV) 和临界电场，因此它们都可以实现更高效、更新颖的电力电子设备。
Veliadis 说，大带隙和临界电场允许具有更薄层的高压器件，从而导致更低的电阻和相关的传导损耗、低泄漏和稳健的高温操作。此外，更薄的层和低比导通电阻允许更小的外形尺寸，从而降低电容，实现更高频率的操作和更小的无源元件，并且大热导率允许通过简化的热管理实现高功率操作，他说。
“这些是 SiC 和 GaN 的巨大优势，并导致了我们今天看到的大规模增长，”他说。
（来源：PowerAmerica）
Veliadis 还讨论了 SiC 的一些关键应用，包括汽车、信息技术、电网基础设施、电动机驱动器和航空航天。
他说，碳化硅的数字应用是电动汽车（EV）大幅增长的汽车行业。“高压碳化硅将解决电动汽车的最大问题之一，即在加油站完成类似事情所需的时间内为汽车充电的能力。”
他补充说，在数据中心，热管理是一个大问题，因此任何提供更高效率的技术（如 SiC 和 GaN）都将大大有助于改进该应用。其他重要的应用是可再生能源和电动机驱动器，它们消耗了全球约 50% 到 60% 的电力。
他说，最后但并非最不重要的是，航空航天业正朝着全电动飞机发展，其目标是实现更高的效率以及更低的噪音和排放。
“今天的电力电子工程师有多种选择；他们可以在应用中使用 Si、SiC 或 GaN，”Veliadis 说。“问题是‘您如何选择在您的应用中使用哪种类型的技术’，答案是您必须考虑您的电压要求、电流水平、频率要求、您的应用所需的效率、温度要求，当然还有成本考虑。”
下面的英飞凌图表显示了不同技术提供最大优势的领域。
（来源：英飞凌，PowerAmerica 提供）
“在较低频率和非常高的功率下，硅是最有力的竞争者，随着频率的增加，硅会变得更有损GaN 是一个极好的解决方案，”他说。“硅在 15 至 650 V 的电压范围内极具竞争力，而 GaN 在 100 至 650 V 的电压范围内极具竞争力。[他还指出，一家 GaN 公司拥有 900-V 器件。] SiC 在 1200 V 和 1700 V 等高电压下极具竞争力V 和 3.3 kV 器件已经过演示，并且几家供应商以及 6.5 kV 和 10 kV 器件即将作为产品发布。”
但 Veliadis 表示，650V 范围内是一个巨大的战场市场，Si、GaN 和 SiC 都在该范围内展开竞争。“硅非常可靠，非常坚固，而且价格便宜且能够提供高电流，而 GaN 以非常合理的成本提供非常高的效率。GaN 也是一种 CMOS 兼容器件，因此它利用了硅的规模经济，并在大型晶圆厂制造。SiC 非常高效，可在高电流和高频率下运行。”
Veliadis 还深入探讨了平面和沟槽 SiC MOSFET 之间的差异，他将其称为电力电子的主力军。讨论涉及迁移率、电场、漂移层、导通电阻、阻断电压能力和击穿场性能。
他还详细介绍了几个晶圆制造问题和大规模商业化之路，提供了有关如何解决这些挑战的技巧。总体挑战是 SiC 制造工艺需要投资选择工具和非 CMOS 兼容工艺的开发。
“与 GaN 非常相似的 SiC 制造非常重要，”Veliadis 说。“就 SiC 而言，您需要购买特定工具并开发与硅 CMOS 不兼容的特定工艺。我们利用了所有成熟的 Si 工艺，这些工艺已成功转移到 SiC 以利用规模经济。”
然而，碳化硅材料特性需要开发特定的工艺，他说。
一些挑战包括蚀刻 - 由于高温，湿法蚀刻对 SiC 不实用；基板减薄以降低电阻；掺杂——传统的热扩散对 SiC 也不实用，需要新的注入和注入退火工艺，以及平整晶圆以减轻高温退火的影响；实现良好的欧姆接触形成，并选择 CTE 匹配的金属。
涵盖的其他挑战包括栅极氧化物、透明晶圆、碳化硅晶圆缺乏平整度以及绝缘电介质。最终，应对这些挑战有望产生更好的基板、更高的可靠性、更少的缺陷、更高的坚固性和更低的成本。
根据 Veliadis 的说法，当行业转向 200 毫米晶圆时，尤其需要能够改进这些工艺，这些晶圆有望将 SiC 成本降低约 20% 或更多。
他估计，要使一家硅代工厂能够加工 SiC 晶片，大约需要 10-1500 万美元的投资。
除了制造挑战之外，他还指出了供应链问题。“对于使用 SiC 代工厂的硅世界，您在工艺和设计方面都处于竞争状态，第二个问题是晶圆产能供应链是 SiC 的一个问题，因为它增长非常快，所有公司都在寻找获取低成本、高质量衬底晶圆来源的方法。
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